(57)【要約】【課題】  液晶分子の配向状態を少なくとも二つの方向に安定化させることができ、かつコントラストの強い液晶素子及び液晶装置を提供する。【解決手段】  第２基板３２との間に液晶４０が充填される第１基板３１の表面に複数の構造を規則配列する。そして、この複数の構造の側壁面に垂直配向処理を施すことにより、構造の中心に対して対称な位置にディスクリネーションを生じさせる。また、第１基板３１の構造以外の表面に水平配向処理を施すことにより、第１基板近くの液晶４０を２つのディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向に沿って配向させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、第２基板との間に液晶が充填された液晶素子において、
前記第１基板の表面に複数の構造を規則配列し、かつ前記構造の側壁面に垂直配向処理を、前記第１基板の該構造以外の表面には水平配向処理をそれぞれ施すことを特徴とする液晶素子。
【請求項２】
前記構造の側壁面に施した垂直配向処理により、前記構造の中心に対して対称な位置にディスクリネーションを生じさせ、前記液晶を少なくとも第１基板近くで前記対称なディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向に配向させることを特徴とする請求項１記載の液晶素子。
【請求項３】
前記液晶は、前記規則配列した構造のディスクリネーション間の斥力によって少なくとも二つの安定状態が得られることを特徴とする請求項１又は２記載の液晶素子。
【請求項４】
前記複数の構造は、前記ディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向が略同一となるように配列されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶素子。
【請求項５】
前記複数の構造は前記第１基板に形成された円筒状の細孔であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶素子。
【請求項６】
前記複数の構造は前記第１基板に形成された円柱状の突起であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶素子。
【請求項７】
前記液晶の配向をスイッチングさせるスイッチング手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶素子。
【請求項８】
前記請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶素子を備えたことを特徴とする液晶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶素子及び液晶装置に関し、特に基板表面に施された微細構造により基板表面近傍の液晶分子の配向状態を少なくとも二つの方向に安定化させるようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の液晶表示装置や液晶光スイッチング装置等の液晶装置に用いられる液晶素子において、液晶分子の配向状態を安定化させるための方法として、基板表面に単一または複数の隆起を施し、この隆起の幾何学的形状により液晶分子の配向状態を二つの方向に安定化させる方法が知られている（特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）。
【０００３】
そして、このような方法を用いて作製した液晶素子は、液晶の配向性にメモリー性を持たせることができるため、例えば液晶表示装置において用いられる場合、スイッチング時以外に電圧を印加する必要がないため、消費電力が低いという利点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１６５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２８１６６０号公報
【特許文献３】特開２００１−２９６５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の液晶素子において、液晶素子の双安定状態間の相違は、隆起に挟まれた液晶分子が、基板に対し平行であるか傾斜しているかの違いのみである。一方、隆起上部の液晶分子は、二つの安定状態において同一の配向を保つ。
【０００６】
そのため、例えばディスプレイとして利用する場合、画面の中で隆起の上部にあたる箇所はスイッチングにより光学特性が変化せず、全体として充分なコントラストが得られない恐れがある。また、３つ以上の安定状態が得られないために、階調表現が困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、液晶分子の配向状態を少なくとも二つの方向に安定化させることができ、かつコントラストの強い液晶素子及び液晶装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第１基板と、第２基板との間に液晶が充填された液晶素子において、前記第１基板の表面に複数の構造を規則配列し、かつ前記構造の側壁面に垂直配向処理を、前記第１基板の該構造以外の表面には水平配向処理をそれぞれ施すことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明は、前記構造の側壁面に施した垂直配向処理により、前記構造の中心に対して対称な位置にディスクリネーションを生じさせ、前記液晶を少なくとも第１基板近くで前記対称なディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向に配向させることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明は、前記液晶は、前記規則配列した構造のディスクリネーション間の斥力によって少なくとも二つの安定状態が得られることを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明は、前記複数の構造は、前記ディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向が略同一となるように配列されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明は、前記複数の構造は前記第１基板に形成された円筒状の細孔であることを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明は、前記複数の構造は前記第１基板に形成された円柱状の突起であることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明は、前記液晶の配向をスイッチングさせるスイッチング手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明は、液晶装置において、上記のいずれかに記載の液晶素子を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明のように、第１基板の表面に複数の構造を規則配列すると共に、この複数の構造の側壁面に垂直配向処理を施すことにより、構造の中心に対して対称な位置にディスクリネーションを生じさせ、また第１基板の構造以外の表面に水平配向処理を施すことにより、第１基板近くの液晶を２つのディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向に沿って配向させることができる。これにより、液晶分子の配向状態を少なくとも二つの方向に安定化させることができ、かつコントラストの強い液晶素子及び液晶装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図であり、同図において、３１は第１基板、３２は第２基板である。４０は、対向して配された第１基板３１と第２基板３２の間に充填された液晶である。
【００１９】
なお、第１基板３１はＡｌ基板、第２基板３２は光透過性を有するガラス、或いはポリカーボネイト、ＰＭＭＡ等の透明プラスチック基板であり、第２基板３２の、第１基板３１に対向する表面上には平行配向処理がなされている。
【００２０】
３４、３５は液晶中を第１及び第２基板３１，３２に平行に、かつ第２基板３２に施された配向方向に平行に電圧を印加するための電極である。なお、この電極３４，３５は、第２基板３２の、第１基板３１に対向する表面上に真空蒸着、スパッタリングなどで配向方向に並んで形成される。３３は、第１基板３１と第２基板３２間の間隔を保つために設けられたスペーサである。
【００２１】
ところで、この第１基板３１の第２基板３２に対向する表面上には複数の規則配列された構造である、内壁面が垂直配向処理された細孔が形成されており、この細孔の中にも液晶４０が入り込んでいる。
【００２２】
ここで、本実施の形態において、この細孔は円形形状を有しており、このような細孔は、文献（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００１１３，Ｎｏ．３，Ｆｅｂｒｕａｒｙ５，ｐ１８９−ｐ１９２）に開示されている技術に基づき、以下のようにして作成する。
【００２３】
まず、図２に示すように突起１１を様々に配列させたＳｉＣモールドを電子ビームリソグラフィ技術を用いて作成する。ここで、突起の配列の仕方は、作成する細孔の配列と同じものにする。この後、突起１１を配列させたＳｉＣモールドを、油圧を用いてＡｌ基板（第１基板）の表面に１６００ｋｇｃｍ−２で押し付ける。この操作によって、ＳｉＣモールド上の突起１１に接するＡｌ基板表面上の点には微小な凹みが形成される。なお、同図において、１２は突起１１を母点としたＶｏｒｏｎｏｉ図である。
【００２４】
次に、Ａｌ基板について定電圧条件で５重量％のシュウ酸または燐酸を用いて陽極酸化処理を行う。そして、このような陽極酸化処理を行うと、最初は凹みにおいて最も陽極酸化の速度が大きいため、即ちＡｌの溶出速度が大きいため、細孔は凹みを中心に成長し、やがて円形状の細孔が複数形成される。
【００２５】
次に、このような基板面に複数の細孔が形成された第１基板３１を備えた液晶素子の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、上記のような円形状の細孔が複数形成された第１基板表面に以下の方法により配向処理を行う。即ち、Ａｌ基板上に垂直配向処理剤を塗布し、この後、波長２５４ｎｍにおける光エネルギー量が１０Ｊ／ｃｍ２となるＵＶ強度にてＵＶアッシング処理を行う。なお、垂直配向処理材としては、シランカップリング剤ＯＤＳＥ（チッソ（株）社製オクタデシルトリエトキシシラン）を０．５重量％にエタノールで希釈した溶剤を用いる。
【００２７】
ここで、このＵＶアッシング処理の際、基板面との角度が１度となるように斜め方向の角度からＵＶを照射することにより、細孔内部の垂直配向処理剤を残したまま、細孔以外の部分の垂直配向処理剤のみを除去することができる。これにより、細孔の内壁面のみに垂直配向処理を施すことができる。
【００２８】
次に、Ａｌ基板表面上に水平配向処理剤を塗布する。なお、水平配向処理剤としては、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸ＬＰ６４（東レ（株）社製）のＮＭＰ（Ｎメチルピロリドン）とｎＢＣ（ｎブチルセロソルブ）を２：１の割合で混合した溶液にＬＰ６４を１．０重量％となるよう調整したものを用いる。
【００２９】
次に、第２基板３２の第１基板３１との対向面に上記の水平配向処理剤を塗布した後、ラビング処理を行う。次に、これら第１及び第２基板３１，３２の間に液晶を充填することにより液晶素子が形成される。
【００３０】
次に、このようにして形成された液晶素子の多安定性について行った、連続体理論に基づいた液晶配向の数値計算シミュレーションによる検討結果について説明する。
【００３１】
なお、この検討においては、細孔の断面形状を直径１００ｎｍの円とし、細孔の並び方は正方格子状で、細孔間距離３０ｎｍを保ち、無限に配列するものとした。また、液晶は７ＣＢネマチック液晶とし、第１基板の細孔近傍の液晶配向とエネルギーの関係を計算した。
【００３２】
図３は、細孔の並び方向に対する液晶分子の配向角を横軸に、液晶の自由エネルギー密度を縦軸にとった図であり、同図から液晶は配向角が４５°と１３５°で安定状態をとる事がわかった。
【００３３】
これは、細孔の内壁面に垂直配向処理を施すことにより、細孔内壁面近傍の液晶分子が、細孔内壁面の垂直配向条件に従い概ね細孔の中心軸に向かって配向し、それが細孔内側面全周にわたって発生することに伴って得られる、図４の（ａ）に示す２本（２つ）のディスクリネーションＤが細孔内で互いに反発しあった結果、もっともお互いの距離が離れる配置をとろうとし、さらに、第一基板側の先端が第一基板面において、周囲の細孔からのディスクリネーションＤと互いに反発しあった結果、最も安定な配置をとろうとする。
【００３４】
つまり、同図の（ｂ）に示すようにディスクリネーションＤが、細孔の並び方向に対し４５°もしくは１３５°の角度をもって配置しようとするためと考えられる。なお、この角度および安定な配置の数は、細孔の並び方や細孔間距離によって変化する。
【００３５】
そして、細孔内の液晶分子は、図５に示すように２つのディスクリネーションを結ぶ直線と概ね直交する方向に沿って配向する。少なくとも第１基板近傍の液晶分子はこの細孔内の配向に従うため、ディスクリネーションの配置によって、配向角が４５°と１３５°で安定となる。
【００３６】
なお、本実施の形態において、複数の細孔２３は、ディスクリネーションＤを結ぶ直線と直交する方向が略同一となるように配列されている。
【００３７】
ここで、図３により本シミュレーションの条件における双安定の障壁エネルギーは、基板面の単位面積あたりに換算すると１．２ｅ−６［Ｊ／ｍ２］と計算された。一方、同シミュレーションで、１０μｍ厚の液晶セルにおいて液晶分子がセル厚方向に平行に配向した状態と、９０°ねじれて配向した状態のエネルギー差を計算すると５．０ｅ−７［Ｊ／ｍ２］となり、双安定障壁エネルギーを大きく下回ることがわかった。
【００３８】
これは、第２基板上にラビング等の方法により配向角が４５°か１３５°のどちらかの方向に液晶分子が沿うような平行配向処理を行った場合、図６に示すように第１及び第２基板の間の液晶層が平行⇔９０°ねじれの二つの状態で安定することを示している。
【００３９】
次に、本実施の形態の一実施例を説明する。
【００４０】
本実施例においては、まず第２基板面に上記の水平配向処理剤を塗布した後、得られるポリイミド膜をローラー押し込み量０．４ｍｍ、ローラー回転数１７回転／秒、基板送り速度５ｍｍ／秒を３回の条件でラビング処理し、第１基板の細孔により得られる液晶の安定な配向方向の一つと平行になるように平行配向処理を行った。
【００４１】
次に、第１及び第２基板の間に液晶を充填した。なお、本実施例において、液晶として誘電異方性が低周波数では正であり高周波数で負であるような材料、例えば６ｋＨｚにクロスオーバー周波数を有する２周波ネマチック液晶を用いた。
【００４２】
そして、図１に示すようにスイッチング手段である電極３４，３５を第２基板３２に施した配向方向にそって配置し、配向方向に平行に電圧を印加するように構成した場合、電極３４，３５間に６ｋＨｚより低い周波数の交流電圧を印加すると電極間の液晶分子は、その正の誘電異方性より配向方向にそった方向を向こうとし、第１基板３１から第２基板３２にかけてねじれのない分子配列を生じる。
【００４３】
これとは逆に電極３４，３５間に６ｋＨｚより高い周波数の交流電圧を印加すると電極間の液晶分子はその負の誘電異方性より配向方向と垂直の方向を向こうとし、第１基板近傍の液晶分子はその配向で安定となる。この結果、第１基板３１から第２基板３２にかけて９０°ねじれた分子配列を生じる。これにより、液晶分子に異なる双安定な配列状態を生じせしめることが出来る。
【００４４】
このように、第１基板３１の表面に細孔を形成し、この細孔の内側壁面に垂直配向処理を施して細孔の内部で少なくとも２箇所のディスクリネーションを生じさせると共に、第１基板３１の細孔外の表面に水平配向処理を施すことにより、図４に示す細孔２３の中心に対して対称なディスクリネーションＤを結ぶ直線Ｌ１の方向とは直交する方向（直線Ｌ２の方向）に沿って配向させることができる。
【００４５】
そして、このような細孔を複数に規則配列すると共に、第１基板３１の細孔以外の表面に水平配向処理を施すことにより、図６に示したように第１及び第２基板の間の液晶が平行⇔９０°ねじれの両状態で安定した、即ち液晶分子の配向状態を少なくとも二つの方向に安定化させることができる液晶素子を簡単に製造することができる。
【００４６】
ここで、図７のように、第１基板近傍の液晶分子は、細孔との位置関係にかかわらず全て一様に配向する。そのため、例えばディスプレイとして利用する場合、全ての液晶分子がスイッチングによる明暗の変化に寄与し、先行技術例よりも強いコントラストを得ることが可能である。
【００４７】
さらに、この液晶素子は、従来にない容易な製造性を持ちながら、例えばスイッチング時以外に電圧を印加する必要がないため消費電力が低いことから、このような液晶素子を備えた液晶表示装置においては、消費電力を低減することができる。
【００４８】
ところで、これまでの説明においては、電極３４，３５は液晶中を基板面に平行に第２基板３２に施された配向方向に平行または垂直に電圧を印加できる構成であればよく、図８の（ａ）に示すように表面に電極を蒸着したスペーサ３３を用いる構成や、図８の（ｂ）に示すように第１基板上に構成されてもよい。
【００４９】
一般に図８の（ａ）及び（ｂ）に示す構成の液晶素子を作成するには工程数が増加するが、図８の（ａ）に示す構成では電極３４，３５によって液晶分子に印加される電圧方向が第１及び第２基板３１，３２に平行にそろうため、また図８の（ｂ）に示す構成では印加電圧の強度が第１基板３１の細孔付近で強くなるために、双安定の駆動を行う面から好ましい構成となっている。
【００５０】
なお、図８の（ｂ）に示す構成の電極３４，３５を作成するには、第１基板３１に前述の工程で細孔を形成した後に真空蒸着、あるいはスパッタリングにより電極３４，３５を形成してもよい。
【００５１】
あるいは、既述した第１基板３１に細孔を形成する過程において、陽極酸化処理により基板表面に細孔を形成した後、基板背面よりエッチング処理を行い酸化がすすんでいない基板部分を電極として残し、他の部分は細孔が貫通するまでエッチングを行うことで第１基板上に電極３４，３５を形成することもできる。なお、この場合には第１基板３１の貫通した細孔はガラスあるいは透明プラスチック材料からなる第３の基板３６で裏打ちされ、液晶を注入できるように構成される。
【００５２】
そして、既述した様に第１基板表面に作成された細孔の影響による配向の好適性と第２基板表面の配向処理により、図８の（ａ）及び（ｂ）に示した構成においても、液晶分子は第１基板３１から第２基板３２にかけてねじれを生じた配列を生じる。
【００５３】
また、電極３４，３５を第２基板３２に施した配向方向にそって配置し、配向方向に垂直に電圧を印加するように構成した場合でも上記の電極間に印加する交流電圧の周波数の高低を逆にすることで同上の効果を得ることができる。
【００５４】
ところで、これまでの説明においては、第１基板３１に円形状の細孔を正方格子状に配列させて形成した場合について述べてきた。しかし、本発明は、これに限らず、円形状の細孔を三角格子状や多角格子状に配列させて形成してもよい。
【００５５】
これらの配列においても、正方格子の場合と同様、円形細孔内に生じた２つのディスクリネーションが互いに反発しあいながら、さらに第一基板側の先端が第一基板面において、周囲の細孔からのディスクリネーションの先端と反発しあい、最も安定な配置をとろうとする。その結果、少なくとも３つ以上の安定な配置をとろうとする。例えば六角格子状配列の場合のディスクリネーションの配置を図９に示す。
【００５６】
このような配列においても、細孔内の液晶分子は２つのディスクリネーションを結ぶ直線と直交する方向に沿って配向するため、少なくとも３つの安定な配向状態が得られる。そして第１基板近傍の液晶分子も細孔内液晶の配向に従い、少なくとも３つの安定な配向状態をもつ。
【００５７】
上記液晶素子において、複数の電極をそれぞれの配向方向に電圧を印加できるよう配置することによって、例えばディスプレイとして利用する際、スイッチング時以外は電圧を必要とせず、かつ階調表現の容易な多安定液晶素子として利用できる。
【００５８】
また、これまでの説明においては、第１基板３１に円形状の細孔を規則的に配列させて形成する一方、細孔の内側壁面に垂直配向処理を施して細孔の内部で少なくとも２箇所のディスクリネーションを生じさせると共に、第１基板３１の細孔外の表面に水平配向処理を施すことにより、第１基板近くの液晶分子を２つのディスクリネーションを結ぶ方向（図４に示す直線Ｌ１の方向）と直交する方向（図４に示す直線Ｌ２の方向）に沿って配向させるようにした場合について述べてきた。
【００５９】
しかし、本発明は、これに限らず、図１０に示すように第１基板３１に複数の構造として円柱状の突起２４を規則的に配列させて形成する一方、この突起２４の側壁面に垂直配向処理を施して突起間に２箇所のディスクリネーションＤを生じさせると共に、第１基板３１の表面に水平配向処理を施すことにより、第１基板近くの液晶分子を突起２４の中心に対して対称な位置に生じた２つのディスクリネーションを結ぶ方向（図１０に示す直線Ｌ１の方向）と直交する方向（図１０に示す直線Ｌ２の方向）に沿って配向させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図。
【図２】上記液晶素子の第１基板に円形状の細孔を形成するためのＳｉＣモールドの突起配列を示す図。
【図３】上記液晶素子における液晶分子の配向角と液晶の自由エネルギー密度の関係を示す図。
【図４】上記細孔の２箇所に生じたディスクリネーションと液晶の配向方向を示す図。
【図５】上記細孔内の液晶の配向の様子を示す図。
【図６】上記液晶素子の液晶層の平行とねじれの二つの安定状態を示す図。
【図７】上記液晶素子の第１基板近傍の液晶分子の配向状態を示す図。
【図８】上記液晶素子の電極配置の他の例を示す図。
【図９】上記細孔の配列が六角形状の場合の、細孔内のディスクリネーションの配置を示す図。
【図１０】上記第１基板に形成された円柱状の突起の２箇所に生じたディスクリネーションと液晶の配向方向を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１１  ＳｉＣモールドに配列させた突起
１２  Ｖｏｒｏｎｏｉ図
２３  細孔
２４  突起
３１  第１基板
３２  第２基板
３３  スペーサ
３４  電極
３５  電極
３６  第３基板
４０  液晶
【図１】
2005055679.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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